Магнитные материалы. Строение и свойства

15.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких мате­риалов, в значительной степени определяются областью их примене­ния. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитив­ная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насыщения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в пере­менных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое элек­трическое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечни­ков, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мем­бран, магнитных экранов и т. д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т. д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Как было показано в гл. 14.2.5, значения коэрцитивной силы Н_с и магнитной проницаемости |х металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (лучше, если она однофазная), меньше внутренних на­пряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше Н_с и больше 11. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно кислоро­да, углерода, серы, фосфора), которые образуют нерастворимые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды, фос­фиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное содержа­ние внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в вакууме или инертной среде, а полученные из них магнитные изделия под­вергают отжигу, который производят обычно при температуре 900—1200 °С в вакууме или в среде сухого водорода.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материа­лов определяется в значительной степени величиной их удельного сопротивления, и чем оно больше, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полу­проводников и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая зву­ковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 10~⁷ Ом м; их называют низко­частотными.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: желе­зо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В об­ласти радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие ма­териалы с удельным сопротивлением р = 10—10¹¹ Ом м.

К высокочастотным магнитомягким материалам относят: магни- тодиэлектрики и ферриты. При ультразвуковых частотах еще можно использовать тонколистовые (И = 25—30 мкм) и рулонные холод­нокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм).

15.1.1. Низкочастотные магнитомягкие материалы

Стержни (магнитопроводы) из магнитомягких материалов, при­меняемые в переменных полях, изготавливают не монолитными (из одного куска), а набирают из пластин или навивают из ленты, имею­щих электроизоляционные покрытия. Это делают для увеличения электрического сопротивления стержня и тем самым уменьшают по­тери на вихревые токи. У таких стержней коэрцитивная сила, маг­нитная проницаемость и магнитные потери непосредственно зависят от толщины листа (ленты): с уменьшением толщины измельчаются кристаллические зерна, в результате возрастают коэрцитивная сила и потери на гистерезис, а магнитная проницаемость, удельная элек­тропроводность и потери на вихревые токи уменьшаются.

Магнитные свойства материалов зависят не только от толщины листа, но также от частоты магнитного поля. С увеличением частоты тока потери на гистерезис возрастают пропорционально частоте в первой степени (см. формулу (14.14)), а потери на вихревые токи - пропорционально частоте во второй степени (см. (14.15)). При неко­торой частоте потери на вихревые токи начнут преобладать над поте­рями, вызванными гистерезисом, и фактически будут определять ве­личину полных магнитных потерь. Поэтому для каждого магнитного материала толщина листа (ленты) определяется частотой переменно­го тока, при которой работает сердечник, т. е. каждой частоте соот­ветствует определенная толщина листа (ленты), при которой полные магнитные потери становятся минимальными. Например, лист ме­таллического магнитомягкого материала толщиной 0,3—0,5 мм при­меняют для стержней, работающих при частоте 50 Гц, 0,08—0,2 мм — при 400 Гц, 0,05 мм — при 1—20 кГц, 0,001 мм — при 100 кГц.

Таким образом, чтобы снизить потери на вихревые токи, необходи­мо применять магнитомягкие материалы с высоким удельным электри­ческим сопротивлением или увеличить сопротивление магнитного изде­лия (например, сердечника) путем покрытия электроизоляционным материалом отдельных листов (ленты), из которых его набирают (на­вивают).

Толщина электроизоляционного покрытия составляет микромет­ры и не зависит от толщины самого листа. Например, электротехни­ческая сталь толщиной 0,35—0,5 мм имеет электроизоляционное по­крытие толщиной 2—5 мкм, а микронные магнитные ленты — примерно 1 мкм. С увеличением толщины листа (ленты) и уменьше­нием толщины электроизоляционного покрытия увеличивается объ­ем магнитного материала в магнитном изделии. Отношение объема магнитного материала (листа, ленты) У_ф к объему всего магнитного изделия V_c характеризуется коэффициентом заполнения К₃:

К₃=У_Ф/У_С. (15.1)

Чем выше коэффициент заполнения, тем больше индукция магнит­ного изделия при той же напряженности поля. Коэффициент запол­нения зависит также от плотности прилегания отдельных листов магнитомягкого материала друг к другу. Необходимо помнить, что при увеличении коэффициента заполнения путем увеличения тол­щины листа (ленты) возрастают потери на вихревые токи и в резуль­тате снижается рабочая частота изделия.

На магнитные свойства сердечника оказывает влияние также магнитострикция магнитного материала: чем меньше магнитострик- ция, тем большим усилиям стяжки и обжатия можно подвергнуть отдельные листы в стержне и тем выше будет коэффициент заполне­ния.

Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемента, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое желе­зо.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе уг­лерода С <0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок маг­нитного железа являются углерод, азот, кислород, сера, фосфор и особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его достоинст­ва — высокие показатели индукции насыщения (B_s = 2,18 Тл), пла­стичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопро­тивление (р ~ МО^-7 Ом м) и, как следствие, большие потери на вих­ревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферромагнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концентрации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения Н_с и могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства: больше значения |i_H, |х_м и меньше Н_с (табл. 15.1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа под­вергают специальной термической обработке — отжигу, проводимо­му при температуре 900 °С в течение 2—4 ч, и затем медленному ох­лаждению до 600 °С. Весь цикл термообработки осуществляют или в

Дата добавления: 2015-08-09